一种玻璃微纳流控芯片、制作组装方法及其辅助装配装置的制作方法

xiaoxiao2020-7-23  10

专利名称:一种玻璃微纳流控芯片、制作组装方法及其辅助装配装置的制作方法
技术领域
本发明属于微纳加工和生化分析领域,涉及一种玻璃微纳流控芯片、制作组装方法及其 辅助装配装置。具体的讲,是通过电动纳流体效应实现样品富集、过滤、电泳的微纳流控芯 片结构组装方法及装置。
背景知识
以微通道网络为结构特征的微全分析系统是上世纪末微纳系统和生化分析相结合的产物 ,由于其在成本、效率、样品耗量、检测灵敏性、可集成性、可重复性等方面具有潜在优势 ,有望取代流式细胞仪、质谱仪、电泳仪等生化检测仪器,可以大幅度降低生化检测成本和 对高端设备的要求,对于改善不发达地区医疗卫生水平、大范围水资源污染监测、全球传染 性疾病防治等问题具有重要意义。微流控芯片是具有广阔应用前景的微型生化分析系统,但 其特征尺寸仅为微米量级,限制了检测样品体积,样品有效成分量的不足影响了检测灵敏度 ,制约了微流控芯片的应用和发展。在样品进入检测环节前,采用富集技术对其样品成分进 行高倍"浓縮",可以保证样品精确测定,降低对检测元器件的灵敏度要求。目前已存在多 种可用于富集或浓縮方法,包括基于场放大效应的堆积富集、基于蒸发的浓縮以及固相萃取 等等。近期研究发现,纳通道中流体双电层重叠效应会形成离子浓縮/耗尽,利用此现象不 仅可能实现百万倍样品富集,而且由于微纳通道的几何结构和表面特性不易随环境变化而变 化,有利于测试可重复性和稳定性。因此,电驱动下微纳尺度流道中离子堆积的现象,可应 用于研制新型高倍率富集器件。随着微加工技术进步,电动微纳流体器件的可加工性和成本 会有显著改善。而采用电控方法控制富集指标,控制方式灵活,与毛细管电泳/电渗驱动等 控制方式兼容,有助于实现多功能和集成化的微纳流控装置。
从上世纪70年代起,美国和欧洲等对于微纳流控技术的研究有许多,其中涉及到利用微 纳流动效应在芯片上进行样品富集的专利,是"Hybrid microfluidic and nanofluidic system",申请号7220345, US, 2006。该专利涉及的微纳流控芯片采用三明治结构,在基 片和盖片上分别加工有彼此正交的微通道。在两条微通道相交处夹一层具有微纳孔隙的薄膜 实现微通道间的纳通道连接。该专利适用于PDMS-玻璃或PMMA-MMA或PDM-PDMS等材料的微纳 流控芯片制作,不需要套刻和对准工艺,采用常温或低温键合,加工方法经济,在芯片上容 易获得高比表面积的纳米结构。但由于所采用的夹心纳米膜耐温性有限,不能用于加工玻璃 一玻璃材料的微纳流控芯片。另外,由于纳米膜只在微通道相交处布置,在基片一薄膜和盖
4片一薄膜周围存在间隙,键合强度不高,容易引起泄露。
我国从1985年以来,国内以微纳流控进行研究开发也取得了一些成就,如涉及到芯片上 样品富集或试样浓集的已批准的专利微量试样浓集方法及其装置,专利授权号ZL 200410066752.4;还有两项专利正在审査中,分别是 一种基于微纳米结构的样品富集芯片 、制作方法及富集方法(申请号CN200710036415.4)和玻璃微-纳流控一体化芯片的制作 方法(申请号CN200810062585.4)。授权专利"微量试样浓集方法及其装置",该专利是 将试样引入毛细通道内,以气体吹扫毛细通道出口,使通道内液体蒸发,而原溶于液体内的 溶质在毛细通道出口附近得到浓集。其原理是通过溶剂蒸发提高样品溶质的浓度,与本申请 专利基于样品电动迀移的工作原理有根本性的不同。申请专利 一种基于微纳米结构的样品 富集芯片、制作方法及富集方法和玻璃微-纳流控一体化芯片的制作方法,其共同特征是
需要采用二次套刻-刻蚀技术,将微通道和纳通道制作在同一块玻璃基片上,然后利用键合 技术与另一块无结构的玻璃片封合。其富集的物理机制与本申请专利相同,但其加工方法是 采用湿法腐蚀工艺在同一块石英玻璃上分两步制作微纳流控芯片,需要进行二次光刻腐蚀( 包括匀胶、前烘、对准套刻),实验室需具备套刻功能的曝光机和高速匀胶机等设备,在同 一块玻璃基片上分步制作微纳结构只能采用串行工艺流程,工艺周期较长。
目前,公开发表文献中涉及的微纳流控芯片采用PDMS—PDMS、 PDMS-Si、 PDMS-玻璃材料 比较多,相应的加工方法包括纳米压印、离子束铣削、电击穿等,如文献"Poly-Based Protein Preconcentration Using a Nanogap Generated by Junction Gap Breakdown" (Anal. Chem. 2007, 79, 6868-6873)发表了基于二甲基硅氧烷材料(PDMS)的微纳流控芯片制 作方法,在PDMS片上加工最小平面距离100 — 500能的两条微通道,用另一块基片将通道封装 ,然后通过在两条微通道上施加电压击穿的方法获得纳米孔隙桥,从而得到微纳复合芯片。 该方法只能用于具有一定孔隙度的聚合物材料(如PDMS),电击穿效果受微通道间隙及键合 强度制约,过长的微通道间距和过高的键合强度都会影响击穿效果。文献"Efficient biomolecule pre-conceiitratioii by naiiofilter-triggered electrokinetic trapping"
(9th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences, 2005)提出PDMS-氮化硅或玻璃一硅复合材料的微纳流控芯片制作方法,采用牺牲 层腐蚀技术制作了纳通道桥,其纳通道最小深度可达40nm,重复性和精度较好,但该方法需 要制作氮化硅的化学气相沉积等高端微电子加工设备,不适合条件普通的实验室。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可用于微量样品富集的玻璃微纳流控芯片、制作组
5装方法及其辅助装配装置,避免在同一块基片上二次套刻一显影一腐蚀,降低对加工设备、 环境条件、操作者熟练程度的要求。本发明有利于实现低成本和批量化的微纳流控芯片,并 且适合在只具备普通加工条件的实验室或企业开展。 本发明的技术方案如下
本发明的玻璃微纳流控芯片由基片和盖片组成,微通道和储液池分布在盖片上,纳通道 阵列分布在基片上。该芯片包含一个或多个微纳富集单元,可以用于高通量并行富集,各微 纳富集单元富集区域和耗尽区域分布在同一直线上,便于实验观测和自动化检测。每个微纳 富集单元主要由两条微通道、纳通道阵列及储液池等组成。在每条微通道起点和终点有储液 池,微通道对称分布互不相交,在微通道中间通过纳通道阵列将两条微通道桥接;纳通道阵 列包含多条纳通道,纳通道长度略长于微通道间距,并与微通道在连接处正交,降低了装配 对准的精度要求。
本发明微纳流控芯片制作方法包括微纳通道成形和基片-盖片组装两个步骤
(1) 微纳通道成形采用湿法腐蚀实现,腐蚀液为HF: HN03: H20混合腐蚀液。具体步
骤为
光刻曝光强度10mW/cm2,光刻周期35s;显影20s; 坚膜120。C, 20min; 以光刻胶为掩膜,腐蚀铬;
以铬为掩膜刻蚀微纳通道对微通道腐蚀,腐蚀液体积比为5HF: 10HN03: 85H20,刻蚀 时间为120min,深度为25ym;对纳通道刻蚀腐蚀液体积比为2HF: 8丽03: 901120刻蚀速率 时间为10nm/s;
去胶去铬。
(2) 基片-盖片组装包括对准、预连接和键合三个步骤首先,利用微纳流控芯片装 配装置实现微纳结构的对准,实现微通道与纳通道阵列的桥接;其次,通过热板烘烤,使部 分水分挥发,利用水分子极性与玻璃表面悬挂键相互作用实现具有一定强度的基片-盖片预 连接,达到运输过程无位错移动的目的,为将其移动至热键合工位提供保障;最后,通过改 进热键合工艺实现无位错和无变形的微纳流控芯片封装。这种布置方法消除了对复杂的二次 对准光刻一显影一腐蚀的需求,降低了工艺复杂性和成本,便于根据客户需求灵活调整芯片 功能单元的结构和组成。
本发明微纳流控芯片组装方法包括以下步骤(1) 清洗利用去离子水和Piranha清洗液清洗盖片和基片;
(2) 对准将盖片和基片在水下贴合,取出放置在辅助对准装置中基片定位板上对准, 使纳通道与两条微通道相接;
(3) 预连接小心取出基片定位板,放置在热板上,烘至半干状态,利用水膜-玻璃表面 之间的相互作用实现盖片一基片预连接;
(4) 热键合移动预连接好的盖片一基片至马弗炉中热键合,自然冷却。 本发明的微纳流控芯片辅助装配装置主要由显微成像系统、基板、基片定位板、微手爪
、连接板、微动滑台组成,基片定位板和微动滑台固定在基板上,在基片定位板对应基片位 置深度方向,安装有显微成像系统,微手爪通过连接板连接在微动滑台上,微动滑台通过螺 旋测微器手柄调节带动微手爪运动。
具有微纳结构观测、固定基片和微纳结构调整对准等功能。从减小机械应力的角度出发 ,在装置设计上采用了 "靠"的基片定位方式和"推"的盖片移动调整方式,避免采用压紧 、锁紧、推-拉等容易引起变形应力的控制模式。
本发明的有益效果是本发明提供的微纳流控芯片,基于纳通道电动离子陷落的富集与耗 尽物理效应,可以用于蛋白和带电离子等微量样品富集,通过芯片上储液池连接电极加直流 电,实现样品电动输运和富集,不需要外加注射泵或其他动力。
提供一种包含多组可变参数的富集结构高通量微纳流控芯片的形式和制造组装方法,提 高了芯片部件互换性,可以灵活选用不同组件建立所需微纳流控芯片。
玻璃材料的微纳流控芯片可以利用简单的紫外曝光机和本发明提供的辅助装配装置制造 ,无需二次对准一套刻一腐蚀,降低了工艺复杂性,縮短了加工周期。
提供了简单易行的微纳流控芯片组装方法,包括对准、预连接和热键合,消除了组装过 程中的错位和变形问题。本方法稍加改动,就可以用于其他微系统的部件组装中,具有一定 通用性。


图l为根据本发明包含一个富集单元的微纳流控芯片示意图。 图2 (A)为本发明微纳流控芯片微通道示意图。 图2 (B)为本发明微纳流控芯片纳通道示意图。 图2(C)为本发明微纳流控芯片微纳通道示意图。图3为本发明制作微纳流控芯片的制作、装配流程图。
图4 (A)为本发明制作微纳流控芯片中对准-预连接辅助装置结构及组装状态的微纳流 控芯片主视图。
图4 (B)为由图4 (A)中A-A所示位置的装置俯视图。 图5(A)为包含五个微纳富集单元的微纳流控芯片实物。 图5(B)为微纳流控芯片的其中一个富集单元的结构平面图。 图5 (C)为富集单元的样品耗尽效果。 图5 (D)为富集单元的样品富集效果。
图中l盖片;2基片;3微通道A; 4微通道B; 5纳通道阵列;6储液池;7多组不交叉的 微通道;8纳通道阵列组;9基板;IO基片定位板;ll显微成像系统;12微手爪;13连接板; 14微动滑台;15定位条。
具体实施例方式
下面结合

本专利的
具体实施例方式
实施例l:单富集单元的玻璃微纳流控芯片
如图1所示,芯片整体尺寸为30mmX50mm,由玻璃材料的盖片1和基片2组成,微通道A、 微通道B和储液池6布置在盖片1上,纳通道阵列5布置在基片2上,纳通道阵列5由10条以上等 长纳通道组成,为降低对准难度,纳通道阵列5的长度比微通道A和微通道B间距长约10 — 40 um,纳通道阵列的通道宽度为3 5ym,纳通道阵列5通道间距与其宽度相同,通道深度为 100nm-500nm。 在盖片1平面中心附近的微通道A和微通道B与基片2上的纳通道阵列5在同一 平面上的投影呈正交布置,正交布置使得微通道A和微通道B与纳通道阵列5在同一平面上的 投影最多只有两条交线,消除了对准偏差等引起的干涉问题。通过本专利的组装方法,用纳 通道阵列5将微通道A和微通道B桥接连通,就获得包含一个富集单元的玻璃微纳流控芯片。
实施例2:包含五个富集单元的玻璃微纳流控芯片
如图2 (A) 、 2 (B)和2 (C)所示,该芯片包含五个微纳富集单元,可以用于高通量并 行富集。每个微纳富集单元由两条在微米级的微通道、在100nm级的纳通道阵列及储业池等 组成。在每条微通道起点和终点加工有储液池,微通道对称分布液池等组成。在每条微通道 起点和终点加工有储液池,微通道对称分布互不相交,间隔100 — 300ym,在微通道中间通 过纳通道阵列将两条微通道桥接;纳通道阵列包含10条以上纳通道,纳通道长度略长于微通 道间距约10 — 40ym,并与微通道在连接处正交。本发明的微纳流控芯片中微通道宽度为50ym,深度为25ym,长度为30mm;纳通道阵列包含10条以上纳通道,宽度为3 — 5ym,纳通 道间隔为3 — 5ym,深度为100 — 500nm;储液池直径为2 — 3mm,与微通道首尾相接。芯片整体 尺寸为30mmX50mm。图2 (A)为分离状态的盖片l,图2 (B)为分离状态的基片2,在盖片l 和基片2上分别布置多组不交叉的微通道7和纳通道阵列组8,每组微通道包括两条微通道, 在微通道起点和终点有直径为2mm的储液孔,每组微通道的间距不同(100 y m, 150 y m, 200 ym, 250 ym, 300 ym),每组之间间距为100能,基片的纳通道阵列长度与微通道间距 相对应,对于同一块基片和盖片,通过移动盖片改变对准组装位置,就可以得到不同的参数 多富集单元微纳流控芯片。在盖片平面中心附近的微通道和基片上的纳通道在同一平面上的 投影呈正交布置,正交布置使得所有的微通道和纳通道阵列在同一平面上的投影最多只有十 条交线,消除了对准偏差等引起的干涉问题,组装状态之一如图2(C)。由于微通道组与纳通 道阵列组不在同一块基片上,因此芯片上富集单元的纳通道尺寸可以根据需求,灵活选择加 工。
实施例3:玻璃微纳流控芯片加工和组装的工艺流程 如图3所示,工艺流程具体步骤如下
(1) 掩膜加工采用L-EDIT软件分别绘制微通道掩膜图,微通道掩膜设计线宽为20齙
,通过高清晰度激光照排输出在透明胶片上,然后将胶片贴在抛光玻璃上,得到包含微通道 结构的盖片掩膜l;采用L-EDIT软件绘制纳通道掩膜图,纳通道最小线宽3um,超过高清晰 度激光照排分辨率,可采用电子束曝光制作在铬版上,得到包含纳通道结构的基片掩膜2。
(2) 微纳通道成形盖片1和基片2为表面镀有铬层和光刻胶的抛光硼硅玻璃,通过紫 外曝光一显影一铬图形化一湿法腐蚀一去胶去铬等工艺步骤分别在盖片1和基片2上制作微通 道和深度在100nm-500nm的纳通道,利用超声打孔方法在盖片l上加工储液池。
(3) 组装利用去离子水和Piranha清洗液清洗盖片l和基片2,清理表面并增加亲和力 。然后将盖片1和基片2在水下贴合,取出放置在辅助装配系统下对准,使纳通道与两条微通 道相接,利用水膜与玻璃表面悬挂键之间相互作用,在热板上将对准的盖片1和基片2烘至半 干状态实现具有一定强度的预连接,最后移动预连接好的盖片一基片结构至马弗炉中热键合 ,最高键合温度为55(TC,自然冷却后取出,得到玻璃微纳流控芯片。
实施例4:微纳流控芯片辅助装配装置及芯片对准预连接方法
图4 (A)为本发明涉及的微纳流控芯片辅助装配装置,下面结合本图说明辅助装配装置 的结构组成。用于微纳芯片辅助装配的装置由基板9、基片定位板IO、显微成像系统ll、微
9手爪12、连接板13、微动滑台14组成。基片定位板10和微动滑台14固定在基板9上,基片定 位板10上具有如图4(B)所示定位微纳流控芯片基片的两个定位条15,在基片定位板10对应基 片位置深度方向,安装有放大倍率可达20X的显微成像系统11,用于动态观测对准过程,微 手爪12通过连接板13连接在微动滑台14上,微动滑台14可以通过螺旋测微器手柄调节带动微 手爪12运动。
结合图4 (A)说明应用上述辅助装置对准和预连接的方法。将加工好通道结构的盖片l 置于基片2之上,为增强润滑,在盖片l-基片2之间留有水膜。通过定位条15以基片2的边缘 为基准将基片2固定在基片定位板上,旋转螺旋手柄使微动滑台14带动微手爪12移动盖片1, 同时操作者通过显微成像系统ll观测对准状态,实现微纳结构对准。小心拿取装有已对准的 盖片1一基片2的基片定位板10至临近的微热板,利用微热板对已对准的盖片1一基片2复合结 构加热,使部分水分挥发,残留部分以单层膜水分子与玻璃表面悬挂键以氢键形式相连,使 得盖片1一基片2之间具有相当强度的预连接力,在有意碰撞和翻转实验条件下达到无位错和 无脱落的效果,为将其移动至热处理房间的热键合工位提供保障。
实施例5:微纳流控芯片用于富集的使用方法
图5(A)所示为微纳流控芯片的实物图。图5 (B)所示,以一个微纳富集单元为例,在每 条微通道起点和终点都有一个储液池,首先在储液池6. l中加入缓冲液,如PBS等,缓冲液将 通过毛细作用充满整个流道,在储液池6. 2中也加入缓冲液,储液池6. 3和储液池6. 4中加入 待富集样品溶液,通过微量加液调平液面。将储液池6. l和储液池6.2接正电压,储液池6.3 和储液池6. 4接地,溶液中离子或带电物质将在电场作用下移动并在纳通道一微通道界面处 发生离子陷落现象,就可以逐渐观测到样品在微纳结合处富集和耗尽现象,根据样品带电状 态不同,加电方式和幅度会有所调整。对含微量FITC荧光指示剂溶液富集效果如图5(C)和 图5(D)所示。图5(C)为阳极端微纳界面处样品耗尽效果,图5(D)为阴极端微纳界面处样品富 集效果,符合纳通道电动离子陷落的富集与耗尽物理效应。利用专利制作的微纳流控芯片对 浓度10nM/L的FITC (缓冲液为PBS10mM),富集倍率可达到1000倍量级,对浓度10yM/L的 FITC (缓冲液为PBS10mM),富集倍率可达到10倍量级。
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权利要求
1.一种玻璃微纳流控芯片,其特征在于该玻璃微纳流控芯片由盖片(1)和基片(2)组成,微通道A(3),微通道B(4)和储液池(6)分布在盖片(1)上,纳通道阵列(5)分布在基片(2)上;该芯片包含一个或多个微纳富集单元,各微纳富集单元富集区域和耗尽区域分布在同一直线上;每个微纳富集单元包括微通道A(3)、微通道B(4)、纳通道阵列(5)及储液池(6);在每条微通道起点和终点有储液池(6),微通道A(3)和微通道B(4)对称分布,互不相交,在微通道A(3)和微通道B(4)中间通过纳通道阵列(5)将两条微通道桥接;纳通道阵列(5)包含多条纳通道,纳通道长度略长于微通道A(3)和微通道B(4)的间距,并与微通道A(3)和微通道B(4)在连接处正交。
2.权利要求l所述芯片的制作方法,其特征在于采用湿法腐蚀实现 微纳通道成形,腐蚀液为HF: HN03: H20混合腐蚀液;将微通道A(3)和微通道B(4)与纳通道阵列(5)的桥接;烘干部分水分,利用水分子极性与玻璃表面悬挂键相互作用实现盖片(l)-基片(2)预连接;通过改进热键合工艺实现无位错和无变形的微纳流控芯片封装。
3.权利要求l所述芯片的组装方法,其特征在于包括下述步骤(1) 清洗利用去离子水和Piranha清洗液清洗盖片(1)和基片(2);(2) 对准将盖片(1)和基片(2)在水下贴合,取出放置在辅助对准装置中基片定位板( 10)上对准,使纳通道阵列(5)与微通道A(3)和微通道B(4)相接;(3) 预连接小心取出基片定位板(10),放置在热板上,烘至半干状态,利用水膜-玻璃表面之间的相互作用实现盖片(1)-和基片(2)预连接;(4) 热键合移动预连接好的盖片(1)和基片(2)至马弗炉中热键合,自然冷却。
4.权利要求2所述制作方法所采用的辅助装配装置,其特征在于:该装 置包括显基板(9)、基片定位板(IO)、微成像系统(ll)、微手爪(12)、连接板(13)和微动滑 台(14),基片定位板(10)和微动滑台(14)固定在基板(9)上,在基片定位板(10)对应基片位置 深度方向,安装有显微成像系统(ll),微手爪(12)通过连接板(13)连接在微动滑台(14)上, 微动滑台(14)通过螺旋测微器手柄调节带动微手爪(12)运动。
5.根据权利要求l所述的芯片,其特征还在于该芯片A微通道(3)和B 微通道(4)间隔100 — 300ym,微通道A (3)和微通道B (4)宽度为50 y m,深度为25ym,长度为 30mm;纳通道阵列(5)包含10条以上纳通道,纳通道长度略长于微通道A(3)和微通道B(4)间 距约10 —40ym,宽度为3 —5ym,间隔为3 —5ym,深度为100 —500nm,与纳通道阵列(5)在 连接处正交;储液池(6)直径为2 — 3mm,与微通道A (3)和微通道B (4)首尾相接。
6.根据权利要求2所述的制作方法,其特征还在于包括步骤如下(l) 光刻曝光强度10mW/cm2,光刻周期35s;显影20s; (2)坚膜:120。C, 20min; (3)以光刻胶 为掩膜,腐蚀铬;(4)以铬为掩膜刻蚀微纳通道对微通道腐蚀,腐蚀液体积比为5HF: 10HN03: 85H20,刻蚀时间为120min,深度为25 y m;对纳通道刻蚀腐蚀液体积比为2HF: 8HN03: 90H20刻蚀速率时间为10nm/s; (5)去胶去铬。
全文摘要
本发明公开了一种玻璃微纳流控芯片、制作组装方法及辅助装配装置。该芯片包含一个或者多个微纳富集单元,每个微纳富集单元由两条互不相交的微通道、纳通道阵列和储液池组成,微通道和储液池分布在盖片上,纳通道阵列分布在基片上,利用组装基片和盖片的方法通过纳通道阵列将两条微通道桥接。组装包括对准、预连接和键合三步,利用辅助对准装置将微纳通道的对准桥接,利用水膜与玻璃表面相互作用实现具有一定强度的基片-盖片预连接,通过热键合封装微纳流控芯片。本发明提供一种包含多组可变参数的富集结构高通量微纳流控芯片和制造组装方法,提高了芯片部件互换性。芯片制造简单,无需二次对准-套刻-腐蚀,降低了工艺复杂性,实现低成本和批量化的目标。
文档编号G01N35/00GK101561446SQ20091030290
公开日2009年10月21日 申请日期2009年6月4日 优先权日2009年6月4日
发明者冲 刘, 刘军山, 征 徐, 杜立群, 温金开, 王德佳 申请人:大连理工大学

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